[發明專利]一種基于隨機散射簇的三維Massive MIMO信道建模方法

有效

• 申請號: 201810084494.4
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108365903B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 張薇;段京京;沃文杰;陳敬堯;竇崢
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391;H04B7/0413
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于隨機散射簇的三維Massive MIMO信道建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟(1)：以基站大規模天線陣列中心為原點，建立3D坐標系，其中各個參數的定義如下：基站和移動臺到散射簇n的距離分別為和基站到散射簇n的俯仰離開角和方位離開角分別為θ_n,ZOD和φ_n,AOD；基站經散射簇n中散射子徑m的俯仰離開角和方位離開角分別為θ_n,m,ZOD和φ_n,m,AOD；散射簇n到移動端的俯仰到達角和方位到達角分別為θ_n,ZOA和φ_n,AOA；移動端經散射簇n中散射子徑m的俯仰到達角和方位到達角分別為θ_n,m,ZOA和φ_n,m,AOA；基站陣列天線位置的俯仰角和方位角分別為和移動臺位置的俯仰角和方位角分別為和基站發射端與移動臺接收端的直視距離為D，基站發射天線數為M_t，移動臺接收天線為M_r，移動臺的速度大小為v，移動方位角和俯仰角分別為α_v和θ_v；

步驟(2)：散射簇n的位置球坐標為(r_n,θ_n,φ_n)，其中散射簇n的空間距離r_n、方位角φ_n和俯仰角θ_n是相互獨立的隨機參量，分別考慮三維坐標對散射簇有效概率影響，定義散射簇n有效的概率為：P_n,effective＝g₁(θ_n)g₂(φ_n)g₃(r_n)，其中g₁(θ_n)和g₂(φ_n)為關于散射簇角度的函數分量，g₃(r_n)＝exp(k_r(r_n/D)),k_r≤0為距離函數，其中k_r為環境參數；利用功率角度von Mises fisher分布函數來計算散射簇關于角度參量的有效概率；

步驟(3)：根據模型的理論寬帶Massive MIMO信道傳輸矩陣表示為M_r×M_t復矩陣其中信道脈沖響應h_us(t,τ)計算公式為

其中τ_n是散射簇n中與散射多徑分量有關的時延，考慮散射簇的有效性，對h_us,n(t)計算：

其中M是散射簇n中散射子徑的數目，N是總的散射簇數目，P_n是散射簇n的功率，f_un,m是散射簇n中散射子徑m的多普勒頻移，為每一子徑傳播距離導致的相位變化量；

其中f_un,m和通過以下計算獲得：

其中為初始相位，λ為載波波長，v為速度矢量，和分別表示散射簇n經散射子徑m到第s根接收端天線和第u根發送端天線的距離矢量，3D模型中有

其中和分別表示天線的位置矢量，和分別表示散射簇n經散射子徑m到接收端天線陣列和發送端天線陣列中心的距離矢量，分別計算如下：

其中D＝[D,0,0]為收發天線之間的距離矢量

在3D模型中，采用球面波前模型時，由余弦定理得：

其中和之間的空間夾角

球面波前近似為拋物波前時，可以通過簡單的二元多項式計算：

從公式

步驟(4)：對于一個散射簇中散射子徑的描述，散射子徑的方位角和俯仰角一般是相關的，散射子徑的角度聯合分布函數采用von Mises fisher分布：

其中和分別表示散射子徑的俯仰角和方位角平均值，κ_n是衡量所有散射子徑在均值附近的擴散程度，C_p(κ_n)＝κ_n/(4πsinhκ_n)，

步驟(5)：計算天線陣列軸的多普勒頻率標準差

其中

步驟(6)：MIMO系統天線的空時相關函數為：

其中E[·]是數學期望；

步驟(7)：設置τ＝0，公式(10)的空時相關函數就可以表示為空間交叉函數(CCF)ρ_{us,u′s′,n}(δ_t,δ_r；t)，于局部散射體數趨于無窮，離散散射分量的角度分布將是一個連續隨機變量，從h_us,n(t)到h_u′s′,n(t)演變過程中散射簇有效的概率為CCF可以寫為

其中

步驟(8)：計算陣列軸信道強度

在3D MIMO模型中，根據單斜率指數時延分布計算散射簇功率，建模為時延和場景的函數為：

其中Z_n～(0,ζ)，r_τ是時延分布比例因子，σ_τ是時延的標準差，散射簇的歸一化功率為陣列軸天線的信道強度Q_su為無線鏈路(s,u)中有效散射簇的歸一化功率和，計算為：

其中若散射簇n不是無線鏈路(s,u)的有效散射簇，則記P_n＝0，

步驟(9)：通過下式計算信道容量為

其中矩陣H為所提模型的信道傳輸矩陣H(t,τ)，ρ是信道平均信噪比，為M_r乘M_r的單位陣。